В 1998 году Илья Митрофанов поступил в Сибирский Государственный университет путей сообщения. В студенческие годы играл в КВН в составе команды «Добрый вечер». Увлечение Ильи КВНом продлилось до 2002 года. Вместе с этим с 1998 по 2000 год Митрофанов успевал играть в театре «Факториал» и даже гастролировать вместе с его труппой.
В 2000 году работал в театре «Сфера». На его сцене сыграл главную роль в спектакле «Любовь дона Перлимплина», за которую удостоился приза в номинации «Лучшая мужская роль». В 2001 году исполнил роль старшего сына Бусыгина в постановке «Старший сын».
Не окончив университет, Илья поступил на режиссёрский факультет РАТИ (ГИТИС) по специальности «актёр театра и кино». Будучи студентом РАТИ, актёр принял участие в таких постановках, как «Сон», «Моцарт и Сальери», «Дядюшкин сон», «Тартюф» и других.
Также Илья Митрофанов зарекомендовал себя как превосходный конферансье и ведущий на всевозможных площадках Европы и Москвы.
Окончив в 2006 году РАТИ, Митрофанов стал работать в труппе театра имени Владимира Маяковского. Тогда же начал сниматься в кино и сериалах.
Дебютом молодого актёра на экране стала роль матроса в телесериале «Автономка». Затем он снялся в полнометражном телевизионном фильме Александра Аравина «Завтрашние заботы».
В 2007 году Илья сыграл сразу в трёх телесериалах: ситкоме Карена Захарова «Вся такая внезапная», драме «Атлантида» и боевике «Формула стихии».
В 2008 году артист принял участие в популярной многосерийной ситуационной комедии «Братья по-разному». В том же году сыграл Фила в остросюжетном сериале «УГРО. Простые парни 2». Затем принял участие в съёмках таких телесериалов, как «Любовь – не то, что кажется» и «Реальные кабаны», а также в полнометражном детективе «Чокнутая».
